高氮合金钢的动态压缩实验及动态本构关系

摘要

材料动态性能是当前力学性能研究领域中最为活跃的方向之一，研究材料的动态力学性能在力学研究中有其重要意义，对军用和民用新材料的设计具有实际应用意义和科学价值。 在合金钢中，如果铁素体中含有0.08％以上的氮元素或者奥氏体中含有0.4％以上的氮元素，则这种钢就称为高氮合金钢(HNS)。钢中的氮元素与其他元素(Mn、Cr、V、Nb、Ti等)交互作用，赋予了高氮钢许多优异的性能：如强度高、塑性和韧性好、蠕变抗力大、耐腐蚀性好等，高氮钢的这些性能使它成为穿甲弹和装甲的理想材料之一。因此，对高氮钢的动态性能和动态本构关系研究将具有深远的科学意义。 本论文采用实验测试与理论分析、数值模拟相结合的研究方法，对两种工艺流程制备的高氮合金钢材料进行动态压缩实验，获得了它们的动态应力。应变关系，为研究其动态性能和动态本构关系提供依据。 利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验技术对两种不同工艺流程——空冷和水冷高氮钢材料进行动态压缩实验，得到大量精确的数据，得出这两种材料在不同应变率情况下的应力.应变曲线和动态压缩屈服强度。结果表明：两种工艺流程的高氮钢材料动态应力-应变关系具有明显的率相关性，而动态压缩屈服强度应变率效应较弱，但应变硬化的应变率效应明显。 采用Johnson-Cook本构模型来描述这两种工艺制备的高氮钢材料的动态力学行为，通过对实验结果的拟合，确定了J-C本构模型中的参数，得到的Johnson-Cook本构关系曲线与动态压缩实验所得的应力.应变关系曲线比较吻合，拟合过程在Origin7.0软件上进行。 运用大型通用有限元程序ANSYS/LS-DANY对两种材料的动态压缩试验进行有限元模拟，模拟过程中试件的J-C本构模型参数采用实验数据拟合所得，最后，得到了试件变形情况，并根据模拟数据应用Hopkinson压杆计算程序得出了应力-应变关系，发现模拟结果得到的应力-应变关系曲线与实验曲线比较一致。 对比了高氮钢材料和603装甲钢的弹道极限速度V50(穿透概率为50％时模拟破片或特定弹丸的平均着靶速度)，并建立了高速弹丸侵彻高氮钢靶板和603装甲钢靶板的有限元模型，分别对高氮钢材料和目前国内普遍使用的603装甲钢进行了抗侵彻能力模拟，模拟过程中弹丸和靶板的本构模型均使用Johnson-Cook本构模型，得到高氮钢靶板的V50和抗侵彻能力优于603装甲钢的结论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2材料动态性能国内外目前研究现状

1.3高氮合金钢目前国内外研究现状

1.3.1高氮钢的基础研究

1.3.2高氮钢的性能研究

1.3.3高氮钢的应用

1.4本论文的主要研究内容与研究方法

第2章 分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验技术

2.1概述

2.2分离式Hopkinson压杆(SHPB)测试技术

2.3分离式Hopkinson压杆测试系统

2.3.1动态应变仪测试系统

2.3.2动态采集测试系统

第3章 高氮合金钢的动态压缩实验

3.1概述

3.2高氮合金钢材料动态压缩实验前准备工作

3.2.1实验系统及其调试

3.2.2实验方案设计

3.3压缩实验的结果

3.4动态压缩的屈服强度和应变硬化的应变率效应

第4章 高氮钢的动态本构关系

4.1经验本构方程-Johnson—Cook模型

4.2高氮合金钢的动态本构关系

4.2.1空冷淬火高氮钢的J—C本构关系

4.2.2水冷淬火高氮钢的J—C本构关系

4.3小结

第5章 高氮钢动态压缩实验的有限元模拟

5.1计算模型

5.2计算结果分析

5.3小结

第6章 高氮钢的抗弹性能

6.1弹道极限速度V50

6.2高速弹丸侵彻高氮钢和603装甲钢靶板的有限元模拟

6.2.1计算模型

6.2.2计算结果分析

6.3小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文